方　娟

(中國電子科技集團公司第二十二研究所　河南　新鄉(xiāng)　453003)

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·開發(fā)設計·

基于LabVIEW的實時信號處理軟件在隨鉆測量系統(tǒng)上的設計與應用

方娟

(中國電子科技集團公司第二十二研究所河南新鄉(xiāng)453003)

摘要：為了實現(xiàn)隨鉆測量地面系統(tǒng)的實時信號處理，根據(jù)LabVIEW平臺強大的信號處理能力和可視化優(yōu)點，基于LabVIEW平臺設計開發(fā)了隨鉆測量地面系統(tǒng)的實時信號處理軟件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、解調(diào)解碼、實時顯示等功能?，F(xiàn)場多口井的累計工作驗證，基于LabVIEW平臺開發(fā)的軟件性能穩(wěn)定、效果良好。

關鍵詞：隨鉆測量；LabVIEW；實時信號處理

0引言

隨鉆測量系統(tǒng)，是以電磁波方式或泥漿脈沖方式實現(xiàn)地層傳輸?shù)臒o線傳輸系統(tǒng)，由地面系統(tǒng)和井下工具組成。地面系統(tǒng)主要完成對電磁波信號或泥漿脈沖信號的接收和處理，其核心為實時信號處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對來自放大濾波后信號的數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波以及解調(diào)解碼等功能。

為了實現(xiàn)隨鉆測量地面系統(tǒng)的實時信號處理，根據(jù)LabVIEW平臺強大的信號處理能力和可視化優(yōu)點，設計開發(fā)了基于LabVIEW平臺的隨鉆測量地面系統(tǒng)的實時信號處理軟件，完成信號采集、噪聲抑制、數(shù)字濾波、解調(diào)解碼等功能，并且在信號處理過程實現(xiàn)信號的實時顯示及參數(shù)監(jiān)控。該軟件的效果和性能已經(jīng)在現(xiàn)場得到充分驗證。

1虛擬儀器和LabVIEW簡介

虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)是基于計算機系統(tǒng)的數(shù)字化測量測試儀器，它充分利用現(xiàn)有計算機資源，并配以獨特設計的儀器硬件和專用軟件，能實現(xiàn)普通儀器的全部功能以及一些在普通儀器上無法實現(xiàn)的特殊功能。它利用數(shù)據(jù)采集模塊完成一般測量測試儀器的數(shù)據(jù)采集功能，利用計算機系統(tǒng)完成一般測量測試儀器的數(shù)據(jù)分析和輸出顯示等功能[1]。

LabVIEW(Loboratory virtual Instrument Engineering Workbench)是虛擬儀器領域中最具有代表性的圖形化編程開發(fā)平臺，是一種圖標代替文本行創(chuàng)建應用程序的圖形化編程語言。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。LabVIEW是一個面向最終用戶的工具,它盡可能利用了技術人員、科學家、工程師所熟悉的術語、圖標和概念[2]。它可以增強用戶構建自己的科學和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。

在工具包方面，LabVIEW不僅提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲，使得其在測試、測量和自動化等領域具有更大的優(yōu)勢；同時它還提供了大量常用于自動化測試測量領域的圖形控件，并且可與VC++、C語言、MATLAB等進行交叉編程[3]，其提供的界面操作模式在系統(tǒng)應用過程中，便于人機對話、實時調(diào)試和監(jiān)控等。

2理論研究

在隨鉆測量系統(tǒng)的地面系統(tǒng)中，要實現(xiàn)實時信號處理軟件的開發(fā)設計，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理，就需要研究：普通采集卡的LabVIEW驅(qū)動編程，數(shù)字濾波器的設計，以及虛擬示波器的設計等。

2.1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集部分是通過自制的數(shù)據(jù)采集卡來實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集部分主要完成數(shù)據(jù)采集卡的配置，包括設備號、通道選擇控制、緩沖區(qū)大小、采樣速率、采樣點數(shù)等的控制。

LabVIEW本身帶有DAQ模塊，但是只能驅(qū)動NI公司的采集卡，無法驅(qū)動普通的A/D數(shù)據(jù)采集卡。LabVIEW有兩種驅(qū)動普通A/D卡的方式：即利用CIN圖標調(diào)用C語言驅(qū)動程序和動態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)技術。

本文采用的是調(diào)用CIN圖標進行編程實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動方式。CIN圖標是LabVIEW圖形化編程語言環(huán)境與C語言的接口，它通過輸入、輸出端口實現(xiàn)兩種語言之間的數(shù)據(jù)傳遞。當LabVIEW的程序運行到CIN節(jié)點時，數(shù)據(jù)由CIN的輸入端口傳遞給C源代碼圖標，程序轉(zhuǎn)去執(zhí)行C源代碼，代碼執(zhí)行完后，得到的數(shù)據(jù)結果由CIN的輸出端口返回給LabVIEW[1]。由此，可以利用CIN圖標實現(xiàn)LabVIEW對普通采集卡的驅(qū)動。圖1為采用CIN圖標實現(xiàn)采樣頻率、通道選擇等數(shù)據(jù)采集控制的實例。

圖1　數(shù)據(jù)采集控制實例(CIN圖標法)

2.2數(shù)字濾波器

數(shù)字濾波器(Digital Filter)是指完成信號濾波處理功能的，用有限精度算法實現(xiàn)的離散時間線性非時變系統(tǒng)，其輸入是一組數(shù)字量，其輸出是經(jīng)過變換或處理的另一組數(shù)字量[4]。數(shù)字濾波器具有穩(wěn)定性高、精度高、靈活性大的突出優(yōu)點。一般來說，數(shù)字濾波器分為FIR濾波器和IIR濾波器，由于FIR濾波器的線性相位和設計簡單等明顯優(yōu)點，故而本軟件設計選擇了FIR濾波器。

FIR數(shù)字濾波器的設計方法主要是建立在對理想濾波器頻率特性作某種近似的基礎上，通常有窗函數(shù)法、頻率抽樣法及最佳一致逼近法。選用窗函數(shù)法設計FIR 濾波器時，要選擇合適的窗函數(shù)。窗函數(shù)的作用主要是實現(xiàn)信號截斷和減少譜泄露，一般希望窗函數(shù)滿足兩項要求：①主瓣寬度要小，以獲得較陡的過渡帶；②與主瓣的幅度相比，旁瓣應盡可能小，以減少肩峰和余振，提高阻帶的衰減。

由于這兩個要求難以同時滿足，故而實際中采用的窗函數(shù)特性往往是兩者的折衷，即在保證主瓣寬度達到一定要求的前提下，適當犧牲主瓣寬度來換取旁瓣波動的減小[5]。常用的窗函數(shù)的特性見表1，其中Δω=2π/N，N為窗長度。

本文直接利用LabVIEW自帶的濾波器完成FIR加窗數(shù)字濾波器，選擇的窗函數(shù)為Hanning窗。圖2為濾波器設計的界面(前面板)和程序框圖。

表1　常用的窗函數(shù)指標

2.3虛擬示波器

虛擬示波器可以實現(xiàn)傳統(tǒng)示波器所能實現(xiàn)的各種功能，也可以根據(jù)用戶需要來實現(xiàn)一些專用功能而無需浪費其他資源。

LabVIEW語言環(huán)境的一個強大的功能是實現(xiàn)信號處理過程中的數(shù)據(jù)顯示及參數(shù)調(diào)整，因此可以利用LabVIEW編程軟件進行虛擬示波器的設計。具體功能可包括以下五個方面的內(nèi)容：

1)波形顯示：包括時基控制、幅度控制、波形的清除；

2)參數(shù)測量模塊：包括峰峰值、頻率和周期等參數(shù)的測量功能；

3)波形的存儲、讀?。簩⒉ㄐ未鎯υ谥付ㄎ恢?，并實現(xiàn)從指定位置讀??；

圖2　濾波器設計的界面和程序框圖

4)多波形顯示與運算模塊：提供了多通道波形同時顯示模式及波形的運算；

5)數(shù)據(jù)分析：包括FFT頻譜分析及功率譜分析。

虛擬示波器不僅實現(xiàn)了一般通用數(shù)字存儲示波器的功能，而且充分發(fā)揮了計算機的強大功能和LabVIEW在儀器開發(fā)方面的靈活性，可根據(jù)需要增加或減少儀器的功能，根據(jù)自己的喜好設計示波器界面，同時可利用網(wǎng)絡進行遠程測量，做到硬件資源和測試數(shù)據(jù)的共享[6]。

3基于LabVIEW的實時信號處理軟件在隨鉆測量系統(tǒng)上的應用

采用上述的數(shù)據(jù)采集、濾波器設計、虛擬示波器設計等完成了基于LabVIEW的實時信號處理軟件的設計與開發(fā)。該軟件應用于隨鉆測量地面系統(tǒng)中，實現(xiàn)了井下發(fā)射上來的信號的采集、數(shù)字濾波、實時顯示、信號解碼等功能。

首先，隨鉆測量地面硬件系統(tǒng)接收井下發(fā)射上來的信號，對其進行硬件濾波、放大，送入數(shù)據(jù)采集卡中。

其次，通過計算機和數(shù)據(jù)采集卡的信息交互，實現(xiàn)實時軟件對數(shù)據(jù)采集卡的參數(shù)設置；數(shù)據(jù)采集卡根據(jù)具體的參數(shù)進行采集，并通過計算機和數(shù)據(jù)采集卡的交互將采集到的數(shù)據(jù)送入實時軟件中。

最后，實時軟件完成了對該數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波、信號解調(diào)解碼，同時也實現(xiàn)了處理過程中的圖形顯示和參數(shù)監(jiān)控。實時軟件的流程圖如圖3所示。

圖3　實時軟件的流程圖

該軟件的解碼數(shù)據(jù)最終發(fā)送給隨鉆測量系統(tǒng)的Navigate軟件，進行現(xiàn)場工程參數(shù)數(shù)據(jù)的恢復并作為現(xiàn)場鉆井施工的指導。

目前，在隨鉆測量系統(tǒng)下，采用了兩種不同的工作模式：一種是DPSK模式，傳輸速率快但耗電快；一種是PPM模式，傳輸速率較慢但電池使用壽命長。在現(xiàn)場作業(yè)時可根據(jù)用戶不同需求進行下井前的不同模式的設置，圖4為對應的兩種不同工作模式下的實時軟件界面。

該軟件人機交互友好，可實現(xiàn)以下圖形顯示和參數(shù)監(jiān)控：

1)根據(jù)現(xiàn)場情況進行不同工作模式的選擇

2)根據(jù)現(xiàn)場情況進行不同發(fā)射頻率的選擇

3)虛擬示波器：

(1)多波形顯示：原始信號的時域波形;原始信號的頻域波形;濾波后信號的時域波形；濾波后信號的頻域波形；檢波后信號的時域波形；門限信號的時域波形；解調(diào)后信號的時域波形；判決后信號的時域波形；

(2)數(shù)據(jù)分析：頻譜分析

(3)時基控制：波形顯示時間的控制

(4)幅度控制：當信號過大，超出刻度范圍或信號過小，無法觀察清楚時，點擊“Y刻度”可以將信號置于適合觀察的位置

圖4　實時軟件界面

4)判決門限、解碼門限、同步門限的實時控制；

5)根據(jù)現(xiàn)場需要實時存儲原始信號；

6)解碼數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲、發(fā)送；

7)數(shù)據(jù)可信度計算和存儲。

圖5和圖6為該軟件應用于隨鉆測量系統(tǒng)中一些實例。目前該軟件已在100多口井上應用過，累計時長超過48 000 h，性能穩(wěn)定，效果良好。本實時軟件的信號處理、虛擬示波器及數(shù)據(jù)存儲均是同步進行的，波形顯示不會影響數(shù)據(jù)的實時處理。

圖5　PPM模式的實時軟件實例

圖6　DPSK模式的實時軟件實例

4結束語

本文研究了數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動、數(shù)字濾波器及虛擬示波器的設計等，實現(xiàn)了基于LabVIEW的實時信號處理軟件的設計與開發(fā)，并成功地應用于隨鉆測量系統(tǒng)中。研究結果表明：

1)實時信號處理軟件具有較強的實時信號處理能力，可以較快實現(xiàn)與信號處理相關的各種計算處理，時效性滿足隨鉆現(xiàn)場應用。

2)實時信號處理軟件界面顯示及操作方便，人機交互友好，用戶可以很清楚地看到信號波形顯示，并且可以實現(xiàn)對參數(shù)的實時調(diào)整。

3)實時信號處理軟件已在現(xiàn)場得到充分驗證，性能穩(wěn)定得到用戶認可。

4)由于LabVIEW強大的信號處理能力和可視化優(yōu)點，利用該平臺進行軟件的開發(fā)可以加快新產(chǎn)品的研發(fā)速度。

參 考 文 獻

[1] 楊忠仁，饒程，鄒建等.基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].重慶大學學報.2004,27(2):32-35.

[2] 周鵬.精通LabVIEW 信號處理[M].北京：清華大學出版社，2013：3-6.

[3] 劉剛，王立香，張連俊.LabVIEW 8.20中文版編程及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：8-10.

[4] 胡廣書.數(shù)字信號處理——理論、算法與實現(xiàn)[M].北京：清華大學出版社，1998：259-263.

[5] 王世一.數(shù)字信號處理[M].北京：北京理工大學出版社，2004：316-320.

[6] 戎舟.基于LabVIEW的虛擬示波器及其遠程測控[J].微計算機信息.2004,20(5):66-67.

Design and Application of Real-time Signal Processing Software based on LabVIEW in MWD System

FANG Juan

(China Electronics Technology Group Corporation No.22 Research Institute,Xinxiang,Henan 453003,China)

Abstract：With the aim of realizing real-time signal processing of MWD surface system,the software is designed and developed based on LabVIEW platform taking advantage of its good visualization function and strong signal processing performance.The software achieves functions like data acquisition,digital filtering,modulation and decoding,real-time display,etc.The software is tested in various well sites with the result of stable and good performance.

Key words：measurement while drilling;Lab VIEW;real-time signal processing

第一作者簡介：方娟，女，1984年生，工程師，2008年畢業(yè)于中國石油大學(華東)信號與信息處理專業(yè)，獲碩士學位，現(xiàn)在中國電子科技集團公司第二十二研究所從事石油隨鉆儀器研發(fā)和生產(chǎn)工作。E-mail:sunny.fj@163.com

中圖法分類號：TE271

文獻標識碼：A

文章編號：2096-0077(2016)03-0024-04

(收稿日期：2016-01-05編輯：高紅霞)